Виды контроллеров для солнечных батарей и как выбирать. Контроллер заряда для солнечных батарей Контроллер заряда для солнечных панелей своими руками

— вниманию читателей предлагается контроллер заряда фотоэлектрических систем при токе заряда до 8А и напряжении аккумуляторов 12 В. Контроллер оптимизирует процесс заряда, не допуская перезаряда аккумуляторов в широком диапазоне освещенности и температуры панели.

Контроллер заряда солнечной батареи содержит доступные компоненты общей стоимостью менее 3 долларов (менее 200 рублей). Несколько устройств в течение 6 месяцев эксплуатируются с панелями, имеющими максимальную мощность от 40 до 100 ватт.

Вступление

Несмотря на привлекательность идеи солнечной энергетики, ее реальное внедрение в энергоснабжение сельских и дачных домов условно рентабельно только на широтах Краснодарского края и южнее. Тем не менее, энтузиасты приобретают солнечные панели с максимальной мощностью от 40 до 100 ватт и пробуют использовать системы на их основе в качестве резервного источника питания для аварийного освещения и компьютерной техники. Как правило, эти люди обладают руками, растущими из правильного места, и знают практическую электронику. Вот именно для их подготовлена эта статья.

Описание схемы устройства

Существует закономерность, что для эффективного выбора мощности модуль контроллера обязан следить за точкой предельной мощности солнечной панели, то есть точку, в которой и напряжение и ток, отдаваемые панелью, максимальны. Универсальные промышленные контроллеры, отслеживающие положение рабочей точки и рассчитанные на широкий диапазон мощностей солнечных панелей, собранных в батареи, достаточно дороги и избыточны в случае эксплуатации одиночной панели.
Точка максимальной мощности и температурный диапазон эксплуатации указываются в паспортных данных качественных панелей.

При проектировании предлагаемого контроллера реализованы обе основных задачи эксплуатации — непрерывное поддержание батареи в точке максимальной мощности и температурная коррекция положения рабочей точки. Контроллер заряда солнечной батареи , а вернее блок-схема представлена на Рисунке 1 и содержит эквивалент солнечной батареи в виде источника тока SB, обладающего внутренним сопротивлением R BH .

При отсутствии внешнего освещения R BH стремится к бесконечности, а ток к нулю. При росте освещенности R BH стремится нулю, а ток к максимальному, технически допустимому значению. Рассмотрим работу схемы. В исходном состоянии (при отсутствии освещения) конденсатор С1 разряжен, на выходе компаратора U1 присутствует «1», ключ S1 разомкнут. U oп равно паспортному значению точки максимальной мощности солнечной панели.

При росте освещенности емкость С1 будет получать заряд через внутреннее сопротивление солнечной панели. Когда напряжение на С1 превышает опорное напряжение, в выходной цепи компаратора появляется «О», замыкающий ключ S1. Емкость С1 сбрасывает заряд через S1 на нагрузку R H , а далее процесс повторяется. Чем выше освещённость, тем чаще происходит повторение описанного выше процесса.

По сути, мы имеем релаксационный генератор — преобразователь освещенности в частоту.
В практической схеме частота следования импульсов тока составляет единицы герц на рассвете и в сумерки, до десятков килогерц при максимальной освещенности, что обеспечивает широкий динамический диапазон работоспособности контроллера.

Принципиальная схема: контроллер заряда солнечной батареи, представлена на Рисунке 2.

Поскольку ранее мы подробно разобрали алгоритм работы контроллера, то остановимся только на нескольких моментах.

Схема гарантированно работоспособна с 12-вольтовыми солнечными панелями мощностью от 40 Вт до 100 Вт, имеющими напряжение холостого хода не более 22 В, номинальное напряжение, соответствующее точке максимальной мощности 17-18 В и номинальный ток2…8А.
Компаратор U1-2 срабатывает при напряжении на аккумуляторной батарее выше 14.4 вольт, принудительно ограничивая длительность импульсов зарядного тока, что предотвращает перезаряд аккумулятора.
Питание компаратора и источника опорного напряжения производится с выхода устройства, что гарантирует автоматическое отключение контроллера заряда солнечной батареи при отключении аккумулятора.

Настройка схемы

Перед началом настройки временно разорвите цепь выхода компаратора U1 -2. Вместо термистора подключите сопротивление 8.2 кОм, примерно равное сопротивлению 10-килоомного термистора при температуре 25 градусов Цельсия. Если вы не планируете использовать термокомпенсацию точки максимальной мощности, или расстояние от панели до контроллера больше 2 метров, резисторы R15, R17 и термистор R16 могут быть удалены без ущерба для работоспособности схемы. При этом резистор R4 подключается к плюсовой шине.

Операции настойки выполняются в следующей последовательности:

1. Подключите к выходу контроллера заряженную примерно на 50-60% аккумуляторную батарею небольшой мощности, например 7 Ач от источника бесперебойного питания. Как правило, такие аккумуляторы есть в арсенале мастера.
2. Проверьте наличие опорного напряжения 8 В.
3. Подключите к входу контроллера регулируемый источник 10-24 В с током до 2 А через сопротивление 5 Ом, имитируя подключение солнечной батареи.
4. Медленно поднимая напряжение, контролируйте состояние выходной части компаратора U1-1. Если при напряжении, равном номинальному напряжению панели, для примера 17.2 В, с которой будет использоваться контроллер заряда солнечной батареи , на выходе U1-1 все еще будет высокий потенциал, регулируем R5 до возникновения автоколебаний.
5. Далее контролируя напряжение на конденсаторе С1 и увеличивая входное напряжение, убеждаемся, что напряжение на конденсаторе С1 остается неизменным и равным номинальному напряжению солнечной панели. При помощи осциллографа убедитесь, что форма сигнала на стоке G3 близка к показанной на Рисунке 3.

Напряжение на аккумуляторе начнет расти. Когда оно достигнет 14.5 В, прекратите настройку, отключите аккумулятор и источник питания. Восстановите соединение выхода компаратора U1-2 с элементами схемы.
Подключите аккумулятор и источник питания. Если форма импульсов изменилась, и ток заряда резко упал, регулируйте R10 до тех пор, пока изменение ограничения зарядного тока не будет наступать при напряжении на заряжаемом аккумуляторе 14.4 В.На этом настройка может считаться законченной.

Конструктивные особенности

При пиковом значении тока более 3 А для транзистора Q3 необходим теплоотвод. Разумеется, полевой МОП-транзистор не утратит работоспособность без заметного ухудшения параметров при температурных значениях в пределах 100 градусов, но в случае желания иметь уверенно работающий прибор, радиатор необходим.

В качестве дросселя L1 использован дроссель режекторного фильтра от блока питания компьютера. Обмотки дросселя соединены последовательно. При токах более 5 А дроссель может нагреваться до 60 градусов, но это не влияет на надежность устройства.

К вопросу о линеаризации характеристики термистора

В процессе разработки схемы контроллера были исследованы различные варианты управления положением рабочей точкой контроллера при помощи измерения температуры панели. В одной из моделей использовалась более сложная схема термокомпенсации, основанная на суммирующем ОУ для сложения опорного напряжения с выходным напряжением температурного датчика на термисторе. Это решение не применяется в описываемом контроллере, но автор считает полезным упомянуть его в рамках данной статьи.

Наилучшая линеаризация выходного сигнала датчика получается при включении термистора по схеме, показанной на Рис 4.

Динамический диапазон изменения выходного сигнала сужается, чувствительность термистора в данном случае значительно не ухудшается, оставаясь постоянной в довольно большом температурном диапазоне.

Контроллер заряда является очень важным узлом системы, в которой электрический ток создают солнечные панели. Устройство управляет зарядкой и разрядкой аккумуляторных батарей. Именно благодаря ему, батареи не могут перезарядиться и разрядиться настолько, что восстановить их рабочее состояние будет невозможно.

Такие контролеры можно сделать своими руками.

Самодельный контроллер: особенности, комплектующие

Устройство предназначено для работы только , которая создает ток с силой, не более 4 А. Емкость аккумулятора, зарядкой которого , является 3 000 А*ч.

Для изготовления контроллера нужно подготовить следующие элементы:

2 микросхемы: LM385-2.5 и TLC271 (является операционным усилителем);
3 конденсатора: С1 и С2 являются маломощными, имеют 100n; С3 имеет емкость 1000u, рассчитан на 16 V;
1 индикаторный светодиод (D1);
1 диод Шоттки;
1 диод SB540. Вместо него можно использовать любой диод, главное, чтобы он мог выдержать максимальный ток солнечной батареи;
3 транзистора: BUZ11 (Q1), BC548 (Q2), BC556 (Q3);
10 резисторов (R1 – 1k5, R2 – 100, R3 – 68k, R4 и R5 – 10k, R6 – 220k, R7 – 100k, R8 – 92k, R9 – 10k, R10 – 92k). Все они могут быть 5%. Если хочется большей точности, то можно взять резисторы 1%.

Чем можно заменить некоторые комплектующие

Любой из этих элементов можно заменять. При установке других схем нужно подумать об изменении емкости конденсатора С2 и подборе смещения транзистора Q3.

Вместо транзистора MOSFET можно установить любой другой. Элемент должен иметь низкое сопротивление открытого канала. Диод Шоттки лучше не заменять . Можно установить обычный диод, но его нужно правильно разместить.

Резисторы R8, R10 равны 92 кОм. Такое значение нестандартное. Из-за этого такие резисторы найти сложно. Их полноценной заменой может быть два резистора с 82 и 10 кОм. Их нужно включать последовательно .

Читайте также: Особенности внешних аккумуляторов с солнечной батареей

Если контроллер не будет использоваться в агрессивной среде, можно провести установку подстроечного резистора. Он дает возможность управлять напряжением. В агрессивной среде он долго не поработает.

При необходимости использовать контроллер для более сильных панелей нужно провести замену транзистора MOSFET и диода более мощными аналогами. Все остальные компоненты менять не нужно. Нет смысла устанавливать радиатор для регулирования 4 А. При установке MOSFET на подходящем теплоотводе устройство сможет работать с более продуктивной панелью.

Принцип работы

При отсутствии тока с солнечной батареи контроллер находится в спящем режиме. Он не использует ни одного вата из аккумулятора. После попадания солнечных лучей на панель электрический ток начинает поступать к контроллеру. Он должен включиться. Однако индикаторный светодиод вместе с 2 слабыми транзисторами включается только тогда, когда напряжение тока достигнет 10 В.

После достижения такого напряжения ток будет проходить через диод Шоттки к аккумулятору . Если напряжение поднимется до 14 В, начнет работать усилитель U1, который откроет транзистор MOSFET. В результате светодиод погаснет, и состоится закрытие двух не мощных транзисторов. Аккумулятор заряжаться не будет. В это время будет разряжаться С2. В среднем на это уходит 3 секунды. После разрядки конденсатора С2 гистерезис U1 будет преодолен, MOSFET закроется, аккумулятор начнет заряжаться. Зарядка будет происходить до момента, когда напряжение поднимется до уровня переключения.

Зарядка происходит периодически. При этом ее продолжительность зависит от того, каким является зарядный ток аккумуляторной батареи, и насколько мощные подключенные к ней устройства. Зарядка длится до тех пор, пока напряжение не станет равным 14 В.

Схема включается за очень короткое время. На ее включение влияет время зарядки С2 током, который ограничивает транзистор Q3. Ток не может быть больше 40 мА.

Мне в руки попался первый бюджетный МРРТ контроллер, который я давно выслеживал на али, но все было жалко денег да и цена у него была около 4000 рублей. Но тут на распродаже я увидел его почти в пол цены и решил будь что будет и приобрел его на тесты. Когда я его первый раз увидел я был, честно говоря, в ступоре. Четыре кнопки управления, которые располагаются на передней панели и цветной дисплей, меня порадовали. Но когда я его разобрал, то что я увидел для меня стало неожиданностью.

У меня как-то на обзоре был ремонт повышающего преобразователя на 600 ватт, где я регулировал ток и напряжение при помощи сопротивлений. Тут плата по узлам немного схожа, но ключей больше. Я подумал, что это нужно для реализации защит и пропустил мимо глаз. Первую кондрашку я схватил, когда при подключении аккумулятора это чудо не включилось вообще. Но я встречал подобные девайсы, которые запитываются не от аккумулятора, а от входного питания. Так и вышло в данном случае. Но дальше больше.

Данный МРРТ контроллер, это реально что-то новое на рынке и за небольшие деньги, и с громадными возможностями, но, к сожалению, обычным людям или тем у кого система на 12 вольт он просто не подойдет, все из-за сложности настроек. Хотя в видео я показываю, как его легко настроить и при этом не нужно сидеть и понимать текст и картинки в инструкции.

Для тех, кто не видел распаковки, могут глянуть на моем черновом сайте, ПЕЛИНГ1 , тут же есть и его характеристики. По поводу вопроса: а тут реально есть МРРТ — Да есть, я отвечу сразу, но вот как она работает это нужно видеть.

Забегу вперед и скажу контроллеру без разницы какое напряжение на солнечных панелях, пусть хоть 10-11 вольт, пусть 60, на выходе вы получите то напряжение, которое нужно вам, а вот ток будет зависеть от напряжения. Из источника!

Данный контроллер я проверил и с ветрогенератора, и с солнечной панели на 11 вольт, и с 21, и с 42 вольтовой панели результат достоин аплодисментов. Вот именно о таком МППТ я и мечтал.

По поводу зарядки АКБ: он их заряжает и это главное.

К минусам можно отнести следующее:

не работает из коробки или без входного питания.
сложная настройка
нужно убедится, что после зарядки АКБ, напряжение не перескочит выставленный диапазон — я использовал 7 А аккумуляторы на 12 Вольт для тестирования перед установкой
не работает с зарядкой 12 вольтовых аккумуляторов, если входное напряжение выше 14 вольт, лучще ограничится до 13 и при этом нужно в этом убедится.
сильно гудит вентилятор, программная регулировка сильно не улучшает ситуацию, но роль свою выполняет, контроллер ледяной при входной мощности 100 ватт
слабые клемники под провода, нужны для нормальной работы провода сечением от 1кв/мм
погрешность составляет отображения параметров от 0.02В до 0.1В

Но плюсы для себя выносите сами!

Было бы здорово, если бы вы могли заряжать батарею мобильных телефонов, используя солнце вместо зарядного устройства USB, неправда ли?

В этом уроке мы покажем вам, как заряжать литиевую батарейку 18650, используя чип TP4056 и солнечную энергию (или просто СОЛНЦЕ). В итоге у нас получится портативный блок питания.

Общая стоимость этого проекта, за исключением батареи, составляет чуть менее 5 долларов США. Батарея добавит еще от $4 до $5 баксов. Таким образом, общая стоимость проекта составляет около 10 долларов США. Все компоненты доступны на АлиЭкспресс по действительно хорошей цене.

Для этого проекта нам понадобятся:

5В солнечная батарея (убедитесь, что она составляет 5В и не меньше);
монтажная плата общего назначения, макетная плата;
1N4007 высоковольтный высокоомный диод (для защиты от обратного напряжения). Этот диод рассчитан на ток в прямом направлении 1А с пиковым значением обратного напряжения 1000 В;
Медный провод;
2x клеммные колодки PCB;
держатель батареи 18650;
аккумулятор 3.7V 18650;
плата защиты аккумулятора TP4056 (с защитой IC или без нее);
усилитель мощности 5В;
некоторые соединительные провода;
оборудование для пайки.

Как работает TP4056

Если посмотреть на саму плату, то мы увидим, что она имеет чип TP4056 наряду с несколькими другими компонентами, представляющими для нас интерес.

На плате один красный и один синий светодиод. Красный загорается, когда он заряжается, а синий - при полной зарядке. Также есть мини-USB-разъем для зарядки аккумулятора от внешнего USB-зарядного устройства. Еще есть также два места куда вы можете припаять свою собственную зарядную единицу. Эти места отмечены как IN- и IN +.

Мы будем использовать их для питания этой платы. Батарея будет подключена к этим двум точкам, обозначенным как BAT + и BAT-. Плата требует входного напряжения от 4,5 до 5,5 В для зарядки аккумулятора.

На рынке доступны две версии этой платы. Один с модулем защиты от разряда батареи и один без него. Обе платы имеют ток зарядки 1А и отключении по завершении.

Кроме того, один с защитой отключает нагрузку, когда напряжение аккумулятора падает ниже 2,4 В, чтобы защитить батарею от слишком низкого тока (например, в пасмурный день), а также защищает от перенапряжения и обратной полярности (обычно уничтожает себя вместо батареи), однако, пожалуйста, проверьте, правильно ли вы всё подключили в самый первый раз.

Схема устройства

Эти платы действительно очень сильно нагреваются, поэтому мы будем паять их немного над печатной платой. Для этого мы будем использовать жесткий медный провод, чтобы сделать ножки для печатной платы. У нас будет 4 кусочка медных проводов, чтобы сделать 4 ножки для монтажной платы. Для этого вы также можете использовать - штыревые разъемы вместо медного провода.

Сборка очень проста.

Солнечный элемент подключается к клеммам IN + и IN-платы зарядки TP4056 соответственно. Диод вставлен в положительный конец для защиты от обратного напряжения. Затем BAT + и BAT- платы подключаются к + ve и -ve концам батареи. Это все, что нам нужно для зарядки аккумулятора.

Теперь для питания платы Arduino нам нужно увеличить выход до 5В. Итак, мы добавляем усилитель напряжения 5 В к этой схеме. Подключите -ve батареи к IN- усилителя и ve+ к IN+, добавив переключатель между ними. Мы подключили бустерную плату прямо к зарядному устройству, но мы рекомендуем установить там SPDT-переключатель. Поэтому, когда устройство заряжает батарею, она заряжается и не используется.

Солнечные элементы подключены к входу зарядного устройства литиевой батареи (TP4056), выход которого подключен к литиевой батарее 18560. Усилитель напряжения 5 В также подключен к аккумулятору и используется для преобразования от 3,7 В постоянного тока до 5 В постоянного тока.

Напряжение зарядки обычно составляет около 4,2 В. Вход усилителя напряжения варьируется от 0,9 до 5,0 В. Таким образом, он увидит около 3,7 В на его входе, когда батарея разряжается, и 4.2 В, когда она подзаряжается. Выходной сигнал усилителя до остальной части цепи будет поддерживать его значение 5 В.

Этот проект будет очень полезен для питания удаленного регистратора данных. Как известно, источник питания всегда является проблемой для удаленного регистратора, и в большинстве случаев нет доступной розетки. Подобная ситуация заставляет вас использовать некоторые батареи для питания вашей цепи. Но в конце концов, батарея умрет. Наш недорогой проект солнечного зарядного устройства станет отличным решением для такой ситуации.

Схема контроллера заряда аккумулятора от солнечной батареи строится на базе чипа, который является ключевым элементом всего устройства в целом. Чип – основная часть контроллера, а сам контроллер – это ключевой элемент гелиосистемы. Данное устройство отслеживает работу всего устройства в целом, а также руководит зарядкой аккумулятора от солнечных батарей.

При максимальном заряде аккумулятора, контроллер будет регулировать подачу тока на него, уменьшая ее до необходимой величины компенсации саморазряда устройства. Если же аккумулятор полностью разряжается, то контроллер будет отключать любую входящую нагрузку на устройство.

Необходимость этого устройства можно свести к следующим пунктам:

Зарядка аккумулятора многостадийная;
Регулировка включения/отключения аккумулятора при заряде/разряде устройства;
Подключение аккумулятора при максимальном заряде;
Подключение зарядки от фотоэлементов в автоматическом режиме.

Контроллер заряда аккумулятора для солнечных устройств важен тем, что выполнение всех его функций в исправном режиме сильно увеличивает срок службы встроенного аккумулятора.

Как работает контроллер зарядки аккумулятора

В отсутствие солнечных лучей на фотоэлементах конструкции он находится в спящем режиме. После появления лучей на элементах контроллер все еще находится в спящем режиме. Он включается лишь в том случае, если накопленная энергия от солнца достигает 10 В напряжения в электрическом эквиваленте.

Как только напряжение достигнет такого показателя, устройство включится и через диод Шоттки начнет подавать ток к аккумулятору. Процесс зарядки аккумулятора в таком режиме будет продолжаться до тех пор, пока напряжение, получаемое контроллером, не достигнет 14 В. Если это произойдет, то в схеме контроллера для солнечной батареи 35 ватт или любого другого будут происходить некоторые изменения. Усилитель откроет доступ к транзистору MOSFET, а два других, более слабых, будут закрыты.

Таким образом, заряд аккумулятора прекратится. Как только напряжение упадет, схема вернется в начальное положение и зарядка продолжится. Время, отведенное на выполнение этой операции контроллеру около 3 секунд.

Типы

Данный тип устройств считается наиболее простым и дешевым. Его единственная и главная задача – это отключение подачи заряда на аккумулятор при достижении максимального напряжения для предотвращения перегрева.

Однако данный тип имеет определенный недостаток, который заключается в слишком раннем отключении. После достижения максимального тока необходимо еще пару часов поддерживать процесс заряда, а этот контроллер сразу его отключит.

В результате зарядка аккумулятора будет в районе 70% от максимальной. Это негативно отражается на аккумуляторе.

PWM

Данный тип является усовершенствованным On/Off. Модернизация заключается в том, что в него встроена система широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эта функция позволила контроллеру при достижении максимального напряжения не отключать подачу тока, а уменьшать его силу.

Из-за этого появилась возможность практически стопроцентной зарядки устройства.

Данный типаж считается наиболее продвинутым в настоящее время. Суть его работы строится на том, что он способен определить точное значение максимального напряжения для данного аккумулятора. Он непрерывно следит за током и напряжением в системе. Из-за постоянного получения этих параметров процессор способен поддерживать наиболее оптимальные значения тока и напряжения, что позволяет создать максимальную мощность.

Если сравнивать контроллер МРРТ и PWN, то эффективность первого выше примерно на 20-35%.

Параметры выбора

Критериев выбора всего два:

Первый и очень важный момент – это входящее напряжение. Максимум данного показателя должен быть выше примерно на 20% от напряжения холостого хода солнечной батареи.
Вторым критерием является номинальный ток. Если выбирается типаж PWN, то его номинальный ток должен быть выше, чем ток короткого замыкания у батареи примерно на 10%. Если выбирается МРРТ, то его основная характеристика – это мощность. Этот параметр должен быть больше, чем напряжение всей системы, умноженной на номинальный ток системы. Для расчетов берется напряжение при разряженных аккумуляторах.

Как сделать своими руками

Если нет возможности приобрести уже готовый продукт, то его можно создать своими руками. Но если разобраться в том, как работает контроллер заряда солнечной батареи довольно просто, то вот создать его будет уже сложнее. При создании стоит понимать, что такой прибор будет хуже аналога, произведенного на заводе.

Это простейшая схема контроллера солнечной батареи, которую создать будет проще всего. Приведенный пример пригоден для создания контроллера для зарядки свинцово-кислотного аккумулятора с напряжением в 12 В и подключением маломощной солнечной батареей.

Если заменить номинальные показатели на некоторых ключевых элементах, то можно применять эту схему и для более мощных систем с аккумуляторами. Суть работы такого самодельного контроллера будет заключаться в том, что при напряжении ниже, чем 11 В нагрузка будет выключена, а при 12,5 В будет подана на аккумулятор.

Стоит сказать о том, что в простой схеме используется полевой транзистор, вместо защитного диода. Однако если есть некоторые знания в электрических схемах, можно создать контроллер более продвинутый.

Данная схема считается продвинутой, так как ее создание намного сложнее. Но контроллер с таким устройством вполне способен на стабильную работу не только с подключением к солнечной батарее, а еще и к ветрогенератору.

Видео

Как правильно подключить контроллер, вы узнаете из нашего видео.